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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum
erfassen von hinter einer Oberfläche verborgenen Gegenständen.
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Hinter Oberflächen verborgene Metallgegenstände können mittels
Metalldetektoren erforscht werden, deren funktionsweise auf der
magnetischen Induktion zwischen einer Senderspule und einer zugeordneten
Empfängerspule beruht, und die zum Beispiel nach dem sogenannten Prinzip
des abgeglichenen Induktors funktionieren. Solche Metalldetektoren sind in
den US-Patenten 2451596 (Wheeler), 2547407 (Nelson), 2557994 (Ostlund),
2772394 (Bradley), 3882374 (McDaniel) und 4255711 (Thompson), und in der
deutschen Patentschrift 2718132 (Reiners) beschrieben.
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Inhomogenitäten bei den dielektrischen Eigenschaften von Oberflächen
können auch durch Kapazitätsmessung erforscht werden, mit dem Ziel, Feuchtigkeit,
verborgene Hohlräume, oder verborgene Gegenstände zu erfassen, wie
dies in den US-Patenten 2718620 (Howe), 2885633 (Cook), 3043993 (Maltby),
3046479 (Mead et al.), 3230519 (Metz et al.), 3493854 (Zurbrick), 3515987
(Zurbrick et al.), 3694742 (Berginanis), 3967197 (Anderson), und 4099118
(Franklin), und in den UK-Patentschriften 1052194 (Associated Electrical
Industries) und 1403720 (Fisons) beschrieben ist.
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Ein Problem bei der Herstellung einer kompakten Vorrichtung, die
Oberflächen sowohl kapazitiv, als auch induktiv erforschen kann, besteht
darin, daß diese zwei Arten von Sensoren sich gegenseitig stören.
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In dem Dokument DE-A-3235535 wird eine Metalldetektor-Vorrichtung
beschrieben, bei der ein kapazitiver Sensor und ein Metalldetektor, der
einen Ferritstab mit Spulen aufweist, miteinander kombiniert sind.
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In dem Dokument US-A-3764819 wird ein durch die Nähe des menschlichen
Körpers betätigter elektronischer Schalter beschrieben, der eine kapazitive
Sonde und eine induktive Sonde aufweist. Die kapazitive Sonde dient dazu,
den Betrieb einer gefährlichen Maschine durch menschliche Berührung zu
bewirken. Die induktive Sonde dient dazu, den Betrieb der Maschine zu
verhindern, wenn die Bedienungsperson versucht, den Schalter dadurch zu
überlisten, daß sie einen Metallgegenstand auf oder neben den Schalter
legt, um den Betrieb der Maschine zu bewirken.
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In dem Dokument GB-A-2159630 wird eine Vorrichtung zum Lokalisieren
von Gegenständen hinter Oberflächen beschrieben, die vielfache, aneinander
angrenzende Kondensatorplatten zum Wahrnehmen einer Änderung der
Dielektrizitätskonstante der Wand infolge eines Bolzens oder eines ähnlichen
Gegenstandes, und in Kombination damit Mittel zum Nachweis von Wechselstrom in
der Wand durch Nachweis der Modulation von Impulsen mit Netzfrequenz
innerhalb der Vorrichtung aufweist.
ZUSAMMENfASSUNG DER ERfINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, wie sie in dem
Patentanspruch 1 beansprucht wird, auf den hier verwiesen wird.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung
zum Erfassen von hinter einer Oberfläche verborgenen Gegenständen, aus
einer Grundplatte, die bei der Verwendung des Detektors gegen die
Oberfläche gehalten wird und über die Oberfläche hinweg bewegt wird, einem
Senderplattenmittel und Empfängerplattenmitteln eines Streufeld-
Kondensatormittels, das auf Veränderungen der Dielektrizitätskonstante der
Oberfläche anspricht, die auf verborgene Gegenstände zurückzuführen sind,
und aus einer Senderspule und einer Empfängerspule eines
Metalldetektormittels, das hinter den Platten des Streufeld-
Kondensatormittels angeordnet ist, wobei zwischen den Platten des
Streufeld-Kondensatormittels und den Spulen des Metalldetektormittels ein
elektrostatisches Abschirmmittel angeordnet ist, das mit einem konstanten
Bezugspotential verbunden ist, und die Platten des Streufeld-
Kondensatormittels und das elektrostatische Abschirmmittel eine kombinierte
elektrische Leitfähigkeit aufweisen, und die senkrecht zu dem Magnetfeld
des Metalldetektormittels verlaufende Fläche solche kontinuierlichen,
leitenden Pfade aufweist, daß durch ein Magnetfeld des
Metalldetektormittels darin induzierte, zirkulierende Ströme klein sind, und die Platten
des Streufeld-Kondensatormittels und das elektrostatische Abschirmmittel
das einwandfreie funktionieren des Metalldetektormittels nicht verhindern.
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Eine Möglichkeit für den Entwurf der Abschirmung und der Platten ist
die Verwendung eines nicht-metallischen Widerstandsmaterials. Die Platten
des Streufeld-Kondensatormittels und das elektrostatische Abschirmmittel
können dabei mittels leitender Paste verwirklicht werden und einen
Oberflächenwiderstand haben, der ihre elektrostatische Aufladung und Entladung
ermöglicht, während sie nicht auf das Magnetfeld des Metalldetektormittels
ansprechen, und keine großen, zirkulierenden Ströme in ihnen induziert
werden. Wahlweise können die Abschirmung und die Platten aus Metall oder
einem anderen leitenden Material sein, das jedoch in schmale Streifen
unterteilt ist, um die senkrecht zu dem Magnetfeld des
Metalldetektormittels verlaufende Fläche, die von kontinuierlichen,
leitenden Pfaden eingeschlossen ist, auf ein Minimum zu reduzieren.
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Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ermöglicht eine Vielzahl
von Kondensatorsensorplatten, die in einer Reihe angeordnet sind, um eine
bildliche Darstellung eines hinter einer Oberfläche, wie beispielsweise
einer Wand, verborgenen Gegenstands zu erhalten, und zwar mittels einer
Anzeige, die Elemente aufweist, die jeder Platte zugeordnet sind, und die
ihr Aussehen ändern bei einer Änderung der örtlichen
Dielektrizitätskonstante der an jede Platte angrenzenden Oberfläche. Wenn
der verborgene Gegenstand schmaler als der Erfassungsbereich der
Kondensatorplatten ist und ungefähr in der Mitte angeordnet ist, sind beide
Ränder auf der Anzeige sichtbar; andernfalls wird zunächst der eine, und
danach der andere Rand über die Anzeige hinweg bewegt.
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Bei einer besonders vorteilhaften Anordnung sind die erforderlichen
elektronischen Schaltungen zwischen einem anwendungsspezifischen IC (ASIC)
und einem Mikrocomputerchip aufgeteilt, wobei der ASIC Signale für den
kapazitiven Streufeld-Detektor und den induktiven Metalldetektor erzeugt,
und die empfangenen Signale bei Kontrolle durch den Mikrocomputer
verarbeitet werden, um ein digitalisiertes Ausgangssignal zu erhalten.
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Die Schaltung umfaßt vorzugsweise ein Kondensator-Senderplattenmittel
auf der Grundplatte, das mit einem Signalerzeugungsmittel verbunden ist,
und Kondensator-Empfängerplattenmittel, die nacheinander über ein
Multiplexermittel mit dem Signalempfangsmittel verbunden werden, das so
ausgelegt ist, daß ein veränderter Signalempfang des Senderplattenmittels
infolge örtlicher Veränderungen der Dielektrizitätskonstante wahrgenommen
wird. Damit das abtastende Feld in den Bereich hinter einer Oberfläche, wie
beispielsweise einer Wand, tiefer eindringt, ist ein Schutzplattenmittel
mit einem konstanten Bezugspotential verbunden, das diese Vielzahl von
Kondensator-Empfängerplattenmitteln umgibt, und dazu dient, diese
Plattenmittel von dem Senderplattenmittel teilweise abzuschirmen. Beispiele
für die Verwendung von Streufeldkondensatoren bei anderen formen der
kapazitiven Abtastung sind in den US-Patentschriften 3515987 (Zurbrick et
al.), 3493854 (Zurbrick), und 2718620 (Howe) wiedergegeben. Ein
Feuchtigkeitsdetektor mit drei Elektroden, der mit Hochfrequenz arbeitet,
ist in der US-Patentschrift 3811087 (Howe) beschrieben.
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Eine Vielzahl von Elektroden ist in vorteilhafter Weise durch
leitende Streifen auf einer Leiterplatte verwirklicht, die seitlich
aneinandergrenzen, wobei sich das Senderplattenmittel an mindestens einem
Ende der leitenden Streifen senkrecht zu diesen leitenden Streifen
erstreckt, und wobei die Kondensator-Empfängerplattenmittel und das
Senderplattenmittel als leitende Pasten auf eine flexible Leiterplattenunterlage
aufgedruckt sind.
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Die Senderfrequenz des Streufeldkondensators beträgt vorzugsweise
ungefähr 50 kHz, wobei festgestellt wurde, daß bei dieser Frequenz ein
optimaler Kompromiß zwischen der relativen Unempfindlichkeit gegen
Feuchtigkeit innerhalb des Dielektrikums - wobei eine höhere Frequenz
wünschenswert wäre - und der Verwendung von leicht erhältlicher Elektronik
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- wobei eine niedrigere Frequenz wünschenswert wäre - erhalten wird.
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In vorteilhafter Weise geben mindestens einige der Kondensator-
Empfängerplatten ein Eingangssignal über das Multiplexermittel auf das
zweite Detektorkanalmittel, das in selektiver Weise so ausgelegt ist, daß
die Netzfrequenz hindurchgeht, wobei das Detektormittel auf eine
wahrgenommene Netzfrequenz anspricht, und ein entsprechendes Gebiet der Anzeige
aktiviert wird.
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Gemäß einem weiteren, bevorzugten Merkmal der Erfindung sind die
Senderspule und die Empfängerspule des Metalldetektormittels so angeordnet,
daß sie an eine von der betreffenden Oberfläche entfernt gelegenen Seite
der Grundplatte angrenzen, wobei die Senderspule von den
Signalerzeugungsmitteln gesteuert wird, und die Empfängerspule über ein
Filtermittel und ein Verstärkermittel mit dem Signalempfangsmittel
verbunden ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachstehend wird als Beispiel eine Ausführungsform der Erfindung
beschrieben, wobei auf die im Anhang beigefügten Zeichnungen Bezug genommen
wird, die Folgendes darstellen:
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Die Fig. 1 ist eine schematische, explodierte Ansicht eines
erfindungsgemäßen Detektors zum Erfassen von Gegenständen.
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Die Fig. 2 ist eine Ansicht einer Sensorplatten-fläche eines
kapazitiven Sensors, die einen Bestandteil des Detektors der Fig. 1
bildet, und der zugeordneten Flüssigkristallanzeige, die ebenfalls einen
Bestandteil dieses Detektors bildet.
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Die Fig. 3 ist ein Schaltbild des Detektors.
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Die Fig. 4 ist ein Blockschaltbild eines anwendungsspezifischen IC-
Chips, der einen Bestandteil der Schaltung der Fig. 3 bildet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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In den Zeichnungen weist ein Gehäuse eine geformte Grundplatte 101
mit einer ebenen, unteren Fläche auf, in der ein durch eine Klappe 103
verschlossenes Batteriefach 102 angebracht ist. Auf einer verdeckten Fläche
der geformten Grundplatte 101 ist eine flexible, kapazitive Leiterplatte
104 angebracht, die Elektroden aufweist und mit einer Hauptleiterplatte 105
verbunden ist. Die Leiterplatte 104 weist einen umgebogenen Teil 106 auf,
der vorzugsweise in einem Abstand von nicht weniger als 0,5 mm,
vorzugsweise von ungefähr 2 mm, hinter einem unteren Teil dieser
Leiterplatte, der den kapazitiven Sensor trägt, angeordnet ist, wobei
dieser Abstand durch ein elektrisches Abstandsmittel aufrechterhalten
werden kann. Der Teil 106 ist bei 106a mit einer Paste von kontrollierter
Leitfähigkeit beschichtet, um das elektrostatische Abschirmmittel zu
verwirklichen. Eine induktive Metalldetektoreinheit 107, die ein Spulenpaar
aus zwei Metalldetektorspulen 130, 131 (Fig. 3) auf einem Kunststoff-
Spulenkörper aufweist, ist mittels flexibler Leitungen 108 mit der
Leiterplatte 105 verbunden. Der Detektor soll ein Gerät sein, das in der
Hand gehalten wird, und das kompakt genug ist, um in einer Werkzeugtasche
untergebracht zu werden, und aus diesem Grunde ist es wichtig, daß die
Metalldetektoreinheit 107 hinter der Leiterplatte 104 angeordnet werden
kann, und nicht daneben angeordnet werden muß. Eine Flüssigkristallanzeige
109, die über Leitungen 111 mit der Leiterplatte 105 verbunden ist, wird
durch eine elastomere Einfassung 110 vor Vibrationen geschützt und hinter
dem Fenster 112 angebracht. Eine aufschiebbare Abdeckung 113 des Gehäuses
114 schützt das Fenster 112. Die Seiten des Gehäuses 114 sind bei 119 mit
einer Vertiefung versehen, um den Benutzer zu veranlassen, den Detektor bei
der Verwendung immer in einer im wesentlichen gleichen, vorgegebenen Weise
mit den fingern und dem Daumen festzuhalten. Dies ermöglicht auch, entweder
eine kapazitive oder direkte Verbindung zu dem Benutzer zu verwirklichen.
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Die Fig. 2 zeigt die Anordnung der kapazitiven Platten auf einem
vorderen oder unteren Teil der Leiterplatte 104, und ihre Zuordnung zu der
Anzeige 109. Die Elektroden auf der Leiterplatte 104 werden in einer
Streufeldkondensator-Konfiguration verwendet, wobei eine Senderplatte 115 von
einer linearen Anordnung von neun Empfängerplatten 116a-116i durch eine
Schutzplatte 117 getrennt ist, die die Platten 116a-116i umgibt und
zwischen der Senderplatte und den Empfängerplatten verläuft. Die
Schutzplatte 117 isoliert die Empfängerplatten 116a-116i, und stellt
sicher, daß der größte Teil des Feldes, das diese Empfängerplatten
erreicht, auf einer Umwegbahn durch das zu testende Material verläuft,
wodurch die Tiefe vergrößert wird, in der ein hinter einer Wand 125
verborgener Holzpfosten 126 oder anderer Gegenstand die Stärke des bei
einer Empfängerplatte empfangenen Signals infolge Veränderung der
wahrgenommenen örtlichen Dielektrizitätskonstante wesentlich beeinflußt.
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In der Fig. 2 ist jeder Empfängerplatte 116a-116i ein balkenförmiges
Anzeigesegment 120a-120i der Anzeige 109 zugeordnet, wobei jedes dieser
Anzeigesegmente aus einem Streifen mit beispielsweise 10 Untersegmenten
besteht, die entsprechend der Stärke des bei ihrer zugehörigen
Empfängerplatte 116a-116i empfangenen Signals nacheinander ihren Zustand
ändern. Wenn die Elektroden längs der Wand 125 an einem Holzpfosten 126
vorbei bewegt werden, bewirkt dieser Holzpfosten eine Erhöhung des Stroms,
der von der Senderplatte 115 nach den am nächsten gelegenen
Empfängerplatten 116e-116i fließt, was zu einer entsprechenden Zustandsänderung bei
den Anzeigesegmenten 120e-120i führt. Die Werte bei jedem Segment ändern
sich, wenn ein Detektor über eine Wand hinweg bewegt wird, wobei der
Benutzer sieht, wie sich der Holzpfosten 126 annähert, wie er sich über die
Elektrodenanordnung 116a-116i hinweg bewegt, und wie er sich wieder
entfernt.
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Um eine Vorrichtung mit hinreichend kompakten Abmessungen zu
erhalten, werden die Empfängerplatten so klein wie möglich gemacht, wobei
sie bei einer typischen Ausführungsform 7,5 mm breit und 50 mm lang sind.
Eine weitere Verminderung der Plattengröße führt zu Empfangssignalen, die
zu schwach sind, um in Verbindung mit der weiter unten beschriebenen
Sender- und Detektorschaltung verwendet zu werden. Die Senderplatte 115
erstreckt sich bis über die Enden der Platten 116a-116i hinaus; ihre Breite
ist nicht kritisch und kann 10-50 mm betragen, ohne eine große Auswirkung
auf die Leistungsfähigkeit zu haben. Der Abstand zwischen der Senderplatte
115 und den Empfängerplatten 116a-116i hat dagegen eine großen Einfluß auf
die Leistungsfähigkeit. Abstände im Bereich von 10-50 mm wurden untersucht,
wobei sich ein optimaler Wert von 15 mm ergab, und die Leistungsfähigkeit
bei ungefähr 7,5 mm und 30 mm auf ungefähr die Hälfte 4 abfiel. Die
Schutzplatte 117 dient dazu, die Empfängerplatten 116a-116i gegenüber dem Feld
der Senderplatte 115 durch eine quer über die Oberfläche der Leiterplatte
104 verlaufende Bahn abzuschirmen; eine große Offset-Spannung würde
bewirken, daß die Veränderungen des Empfangssignals, die sich aufgrund
einer Änderung der Dielektrizitätskonstante der zu testenden Oberfläche
ergeben, schwierig zu messen sind. Die Platte 117 ist vorzugsweise nicht
breit, und eine Breite von 2-3 mm ist normalerweise ausreichend.
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Es ist wichtig, die Metalldetektor-Spulen 130, 131 in dem Material
107 hinter den Platten 116a-116i positionieren zu können, um eine kompakte
Vorrichtung zu erhalten, aber bisher war es schwierig, einen kapazitiven
Sensor und einen induktiven Metalldetektor auf diese Weise miteinander zu
kombinieren. Die Platten 116a-116i, 115 und 117 können nicht aus
kontinuierlichem Metall sein, da sonst bei Erregung der Senderspule 130 ein
Strom in ihnen induziert würde, der groß genug wäre, um das Feld bei der
Empfängerspule 131 zu verändern, und dann sind nützliche Signale von hinter
der Testoberfläche verborgenen Metallgegenständen schwer zu erhalten. Die
Leitfähigkeit muß jedoch so groß sein, daß die Platten als Elemente eines
kapazitiven Sensors wirken können. Wir haben festgestellt, daß die Platten
aus einem Material sein sollten, daß nach Aufbringung in der vorgesehenen
Dicke auf dem Substrat einen Widerstand von 200-2000 Ohm pro Quadrat,
vorzugsweise von ungefähr 1000 Ohm pro Quadrat ergibt. Durch Siebdruck
aufbringbare Polymer-Dickfilm-Pasten auf Graphitbasis, zum Beispiel
Mattheylec R 4000 (enthält Graphitpartikel in einem Epoxyharz), ergeben
zufriedenstellende Ergebnisse, während silberhaltige Pasten gewöhnlich eine
zu große Leitfähigkeit haben. Die Platten 115, 116a-116i und 117 müssen
ebenfalls gegenüber den Metalldetektorspulen abgeschirmt werden, und zu
diesem Zweck ist die Rückseite der Leiterplatte 104 mit einer oder mehreren
Platten aus leitender Paste bedruckt, die eine elektrostatische Abschirmung
hinter der Sensorplatte bewirken, wobei diese Abschirmplatten mit einem
konstanten Erdpotential verbunden sind. Eine einzige elektrostatische
Abschirmplatte kann ausreichend sein, aber es kann auch wünschenswert sein,
mehrere Platten vorzusehen, die eine segmentförmige Abschirmung bilden, um
Spannungsabfall-Effekte zu vermeiden.
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In der Fig. 3 ist die Leiterplatte 105 mit der Senderspule 130 und
der Empfängerspule 131 des Metalldetektors, sowie mit der Senderplatte 115,
den Empfängerplatten 116a-116i und der Schutzplatte 117 des kapazitiven
Sensors verbunden. Weitere Peripherieeinrichtungen sind der Summer 132, der
Betriebsart-Umschalter 301, und die Anzeige 109. Die Leiterplatte 105 wird
durch die Batterie 134 über den EIN/AUS-Schalter 135 mit Strom versorgt.
Die hauptsächlichen Komponenten der Leiterplatte 105 sind ein
anwendungsspezifischer IC (ASIC) mit der Bezeichnung IC1, der mit einem 4-Bit-
Mikrocomputer mit der Bezeichnung IC2 verbunden ist, der eine
Anzeige-Steuerung für die Anzeige 109 umfaßt, die über die Ausgangsanschlüsse 27-
29, 31-62, sowie die Leitungen 111 angeschlossen ist. Die Batteriespannung
wird von den Anschlüssen VMC von IC1 auf den Anschluß VCC des
Mikroprozessors IC2 gegeben, um IC2 mit Spannung zu versorgen, und die
Mikroprozessoranschlüsse D10, R10 und D11 liefern ein Taktgebersignal, eine
Datenleitung bzw. eine Daten-Richtungsleitung zwischen dem IC1 und dem IC2,
so daß der Mikrocomputer IC2 den Betrieb des ASIC IC1 steuern kann und
Daten davon erhalten kann. An die Taktgeber-Anschlüsse OSC1 und OSC2 des
Mikrocomputers IC2 ist ein Resonator X1 angeschlossen, und Taktgeber-
Impulse werden ebenfalls von dem Taktgeber-Oszillator auf den
Mikrocomputer-Taktgeberanschluß von IC1 gegeben. Die Platten 116a-116i
haben Eingänge bei den Anschlüssen RX21 bis RX29 von IC1, und die
Schutzplatte 117 ist-mit dem Erdpotential-Ausgangsanschluß ANGRND von IC1
verbunden, wie ebenfalls die elektrostatische Abschirmung zwischen der
Metalldetektoreinheit 107 und den Platten 115, 116a-116i und 117 des
kapazitiven Sensors. Der ANGRND-Ausgangsanschluß von IC1 ist eine intern
erzeugte, analoge Erde für den Anschluß eines externen
Entkopplungskondensators zwischen diesem Anschluß und BATN. Die Impulse für die
Senderplatte 115 werden über den Anschluß TX2 von IC1 ausgegeben und über
den Kondensator C8 auf eine Seite des Spannungs-Aufwärtstransformators T1
gegeben, an dessen andere Seite die Kondensatoren C12, C13 angeschlossen
sind. Die Ausgangsspannung an dem Anschluß TX2 ist wegen der
Arbeitsspannungs-Anforderungen von IC1 auf 3 Volt begrenzt, und diese Spannung
wird von T1 auf 20 Volt hochtransformiert, um bei den Platten 116a-116i ein
stärkeres Empfangssignal zu erhalten. Es ist schwierig, eine größeres
Spannungsverhältnis bei der Transformation zu erhalten, weil der an dem
Anschluß TX2 verfügbare Strom begrenzt ist. Zwischen C10 und C11 ist ein
Benutzeranschluß 136 abgegriffen. Der Benutzeranschluß ist bis zu dem
Gebiet 119 des Gehäuses 114 geführt, wo gewöhnlich die Finger des Benutzers
angeordnet sind, wobei dieses Gebiet entweder eine leitende Zone, oder eine
über den EIN/AUS-Schalter schaltbare Zone ist. Der kapazitive Sensor erfaßt
normalerweise Isolatoren und elektrisch isolierte Leiter, jedoch keine
geerdeten Leiter, die das Feld von der Senderplatte 15 eher ablenken, als
ein stärkeres Signal nach den Empfängerplatten 116a-116i zurückzusenden.
Es wird gehofft, daß der Benutzeranschluß 136, der einen Teil des auf die
Senderplatte 115 gegebenen Signals erhält, dies verhindern kann, und eine
gewisse Reaktion des kapazitiven Detektors bei geerdeten Leitern bewirken
kann.
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Die Senderspule 130 des Metalldetektors wird über den Anschluß TX1
von IC1 und ein wie ein Stromverstärker wirkendes Gegentakt-Treibernetz mit
Verstärkung Eins gesteuert. Die Impulse von dem Anschluß TX1 werden über
den Kondensator C9 und die Dioden D2, D3 nach der Basis der Transistoren
TR1, TR2 geleitet, die über die Widerstände R9, R10 Vorspannung erhalten,
wobei die Transistoren mit Emitterwiderständen R11, R12 versehen sind,
zwischen denen ein Ausgangssignal über den Kondensator C10 auf die Spule
130 gegeben wird. Die Empfängerspule 131 des Metalldetektors ist über ein
Resonanzfilter, das aus der Spule L1, dem Widerstand R1, und dem
Kondensator C1 besteht, zwischen den Anschlüssen RX1 und ANGRND des Chips
IC1 angeschlossen.
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In der Fig. 4 ist ein Blockschaltbild des anwendungsspezifischen
Chips IC1 wiedergegeben. Der Chip IC1 kann in einen Signalgenerator- und
Senderblock 201, einen Empfängerschaltungsblock 202, einen Block 203 aus
einem phasenempfindlichen Detektor (PD) und einem Analog/Digital-Umsetzer
(ADU), einen Decodiererblock 204, eine Stromversorgung 205, einen
Summertreiberblock 206, und eine Testschaltermatrix 207 unterteilt werden. Die
Funktionen der hauptsächlichen Blöcke werden nachstehend beschrieben.
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Unter Verwendung eines 400 kHz-Taktgebersignals von dem Mikrocomputer
IC2 erzeugt der Block 201 Steuersignale für die Senderspule 130 des
Metalldetektors, die Senderplatte 115 des kapazitiven Sensors, und den
Summertreiber 206, und außerdem liefert der Block 201 ein Bezugssignal bei 210
für den Detektor- und Umsetzerblock 203. Das auf der Leitung 211 ankommende
Taktgebersignal wird über den Pufferspeicher 212 nach dem Frequenzteiler
213 geleitet, der erzeugt:
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(a) acht 50 kHz-Rechteckwellen mit der relativen Phase 0º, 45º, 90º
. . . 315º. Die Rechteckwellen-Ausgangssignale werden auf einen von acht
Wählern 215 gegeben, die durch den Decodierer 204 mittels eines Drei-Bit-
Codes auf den Steuerleitungen PHSEL 0 - PHSEL 2 so gesteuert werden, daß
eine ausgewählte Phase auf der Leitung 210 als Bezugssignal weitergeleitet
wird;
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(b) eine Acht-Punkt-50 kHz-Sinuswellen-Annäherung, die auf das Filter
216 gegeben wird, das restliche Harmonische ausfiltert. Die gefilterte
Sinuswelle wird über den Pufferspeicher 220 auf die Senderspule 130 des
Metalldetektors gegeben, wenn die Steuerleitung 219 von dem Decodierer 204
aktiv ist und den Schalter 218 schließt. In ähnlicher Weise wird die
Sinuswelle über den Pufferspeicher 221 auf die Senderplatte 115 des kapazitiven
Sensors gegeben, wenn die Steuerleitung 222 von dem Decodierer 204 aktiv
ist und den Schalter 223 schließt. Dadurch kann der Mikrocomputer IC2 den
kapazitiven Sensor und/oder den Metalldetektor in selektiver Weise
betätigen. Normalerweise sind die Steuerleitungen 219, 222 nicht
gleichzeitig aktiv, aber ein Zustand, in dem beide Leitungen aktiv sind, ist
nicht verboten, und kann während des Übergangs zwischen den Zuständen
mittels der Schalter 218, 223 momentan vorkommen; und
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(c) über das UND-Gate 224 und den Frequenzteiler 214 ein 1,56 kHz-
Rechteckwellen-Steuersignal, das auf den Summertreiber 206 gegeben wird.
Das Gate 224 ist freigegeben, wenn die Steuerleitung 225 von der
Decodierlogik 204 aktiv ist.
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Das 400 kHz-Taktgebersignal wird von der Ausgangsseite des
Pufferspeichers 212 über die Leitung 229 ebenfalls nach dem PD- und ADU-Block 203
weitergeleitet.
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In dem Empfängerblock 202 werden die Signale von der Empfängerspule
131 und den Empfängerplatten 116a-116i empfangen und aufbereitet, bevor sie
in dem PD- und ADU-Block 203 verarbeitet werden. Die Empfängerspule 131 ist
zwischen dem Anschluß RX11 und ANGRND angeschlossen, wobei dies der Eingang
des Empfängerverstärkers 230 mit einer Impedanz von ungefähr 1 MegOhm bei
50 kHz ist. Das Empfangssignal kann eine Spannung von ungefähr 200
Millivolt eff. bei 50 kHz haben. Das Eingangssignal bei RX11 enthält ein
dominierendes 50 kHz-Signal und Harmonische, aber es kann auch ein 50/60
Hz-Signal vorhanden sein. Es wird auf den Verstärker 230 gegeben, dessen
Verstärkung über die Steuerung des Mikrocomputers IC2 eingestellt werden
kann. Das Ausgangssignal des Verstärkers 230 wird über den Schalter 231
geleitet, der geschlossen ist, wenn die Leitung 232 von der Decodierlogik
204 aktiv ist.
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Die Signale von den Empfängerplatten 116a-116i des kapazitiven
Sensors werden über die Eingänge RX21-RX29 auf den Empfängerblock 202
gegeben. Der über jede Leitung bei 50 kHz empfangene Strom ermöglicht,
Änderungen der Dielektrizitätskonstante des Materials wahrzunehmen, das
hinter einer Wand verborgenen ist, über die der Sensor hinweg bewegt wird,
wobei eine Änderung des zwischen jeder Empfängerplatte 116a-116i und der
Senderplatte 115 fließenden Stroms von ungefähr 1 Nanoampere Spitze zu
Spitze einer Änderung von einer Einheit auf dem ADU-Ausgangszähler 271 des
Blocks 203 entspricht. Die Platten 116a-116i können Störsignale von
Netzkabeln, Leuchtstoffröhren und anderen externen Quellen einfangen, aber
die Störsignale werden von dem Filter 245 und ebenfalls in dem PD- und ADU-
Block 203 wirksam ausgefiltert, wobei das sich ergebende Signal in einem
schmalen Band bei ungefähr 50 kHz und den ungeradzahligen Harmonischen
liegt. Es wird erwartet, daß das Störsignal in diesem Band unter normalen
Umständen wesentlich geringer als 1 Nanoampere ist. Die gemessene Kapazität
wird gewöhnlich einen Wert im Bereich von 3-40 Femtofarad haben. Bei einer
zweiten Betriebsart sind die Steuerungen für sowohl die Senderspule 130,
als auch die Senderplatte 115 gesperrt, und es erfolgt eine Messung der
50/60 Hz-Komponente des Eingangsstroms, wobei gewöhnlich bei dieser
Frequenz ein Wechselstrom von 15 Nanoampere Spitze zu Spitze erhalten wird.
Die Leitungen RX21-RX29 führen zu einem analogen Multiplexer 233, der über
vier Auswählleitungen 234 von der Decodierlogik 204 gesteuert wird, wobei
entsprechend dem Zustand der Leitungen 234 eine der neun möglichen
Eingangsleitungen ausgewählt wird. Je nach dem betreffenden Eingangssignal
und den Wählersignalen auf den Leitungen 234 wird das Sensorsignal mit
einem von zwei Eingängen oder mit der analogen Erde verbunden. Ein erstes
Ausgangssignal von dem Multiplexer 233 wird auf den Strom/Spannungs-Wandler
235 gegeben, der auf Signale mit 50 kHz anspricht, und die sich ergebende
Spannung wird bei 236 weiter verstärkt und über den Schalter 237 geleitet,
der geschlossen ist, wenn die Steuerleitung 238 von der Decodierlogik 204
aktiv ist, wobei nur eine der Leitungen 232 und 238 zu einem bestimmten
Zeitpunkt aktiv ist. Die Verstärkung des Verstärkers 236 kann mittels eines
digitalen Codes von dem Mikrocomputer IC2 eingestellt werden. Ein zweites
Ausgangssignal von dem Multiplexer 233 für die Eingänge RX24, RX25, RX26
wird auf einen zweiten Strom/Spannungs-Wandler 240 gegeben, der auf Signale
mit 50/60 Hz anspricht, wobei das Ausgangssignal über das Bandfilter 241
geleitet wird, das Signale mit 50/60 Hz durchläßt. Das Ausgangssignal des
Filters 241 wird auf den Spitzendetektor 242 gegeben, der die Amplitude der
50/60 Hz-Komponente mißt. Der Spitzendetektor wird zu Beginn jedes
Meßzyklus gelöscht, wenn die Leitung 243 von der Decodierlogik 204 aktiv
ist, und ein GS-Ausgangssignal auf der Leitung 244 wird auf den PD- und
ADU-Block 203 gegeben. Das Ausgangssignal der Schalter 231, 237 ist
entweder ein Signal von der Metalldetektor-Spule 131, oder von der
betreffenden Empfängerplatte 116a-116i, die von dem Multiplexer 233
ausgewählt wird, und dieses Ausgangssignal wird auf das Bandfilter 245
gegeben, das eine mittlere Frequenz von 50 kHz hat. Das Ausgangssignal des
Filters 245 wird in einem zweistufigen Verstärker 246 verstärkt, dessen
Verstärkung entsprechend dem Zustand der Leitung 247 von der Decodierlogik
204 eingestellt wird, und ein Ausgangssignal für das Empfangssignal wird
auf der Leitung 248 nach dem PD- und ADU-Block 203 weitergeleitet.
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Der PD- und ADU-Block 203 erhält ein Batteriespannungs-Signal über
die Leitung 250, ein Empfangssignal von dem Metalldetektor oder dem
kapazitiven Detektor über die Leitung 248, und ein Netzamplitudensignal
über die Leitung 244, wobei diese Signale über die Schalter 251, 252 bzw.
253 geleitet werden, wenn eine ausgewählte Leitung der Leitungen 154-256
von der Decodierlogik 204 aktiv ist. Das Ausgangssignal der drei Schalter
wird auf den PD-Schalter 157 gegeben, der über die Leitung 158 von der
Steuerlogik 159 gesteuert wird, die das 400 kHz-Taktgebersignal über die
Leitung 229 erhält. Das Ausgangssignal des Schalters 157 wird über den
Widerstand 258 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 259
gegeben, zwischen dessen Klemmen der Kondensator 260 angeschlossen ist, um
einen Integrator zu erhalten, wobei der nicht-invertierende Eingang des
Verstärkers 259 mit der Erde verbunden ist. Wenn der Schalter 157
geschlossen wird, wird der Kondensator 260 über den Widerstand 258
aufgeladen. Der Kondensator 260 wird entladen, wenn der Schalter 261
geschlossen wird, sofern die Leitung 262 von der Steuerlogik 159 aktiv ist.
Wenn die Leitung 263 von der Steuerlogik 159 aktiv ist, wird der Schalter
264 geschlossen, um den Spannungsgenerator 265 mit dem Eingangswiderstand
258 des Operationsverstärkers 259 zu verbinden, wobei die Spannung von dem
Generator 265 ein Bezugssignal liefert. Das Ausgangssignal von dem
Integrator 259, 260 wird auf den Komparator 270 gegeben, dessen
Ausgangssignal bei 269 auf die Steuerlogik 159 gegeben wird. Die
Steuersignale werden nach einem Zehn-Bit-Zähler 271 geleitet, dessen
Zustand in die Verriegelung 272 eingegeben werden kann, deren Zustand von
dein Mikrocomputer IC1 über die Datenleitungen 273 und die Decodierlogik 204
abgefragt werden kann.
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Wenn die Leitung zwischen der Decodierlogik 204 und der Steuerlogik
159 von dem inaktiven Zustand in den aktiven Zustand übergeht, wird ein
Umwandlungszyklus gestartet, der mit der Leitung 210 synchronisiert ist.
Beim Start des Umwandlungszyklus werden die Verriegelungen Meßbereichs-
Überschreitung, Meßbereichs-Unterschreitung, Umwandlungsstart,
Umwandlungsende
und Anstiegsende in der Steuerlogik 159 gelöscht, und der Zähler 271
wird auf Null zurückgestellt. Der Schalter 261 wird geschlossen, um den
Integratorkondensator 260 mit einer bekannten Spannung voreinzustellen. Ein
neuer Umwandlungszyklus kann zu jeder Zeit gestartet werden, wenn die
Leitung 275 inaktiv und danach aktiv gemacht wird, wobei die Steuerlogik
159 auf die aktive Flanke des Signals anspricht. Wenn die Umwandlung einmal
gestartet ist, geht sie ohne Beteiligung des Mikrocomputers IC2 weiter,
außer wenn auf der Leitung 276 eine Bereichsunterschreitung gemeldet wird,
in welchem Fall der Zyklus abgebrochen wird. Die Schalter 252 und 157
werden geschlossen, so daß die Spannung auf der Leitung 248 den Kondensator
260 über den Widerstand 258 auflädt, und zwar während einer festgelegten
Zyklenzahl des 400 kHz-Taktgebers auf 229, die von dem Zähler 271 gezählt
wird. Wenn der Spannungsanstieg bei dem Kondensator 260 beendet ist, wird
durch die Steuerlogik 159 der Zähler 271 gelöscht, der Schalter 157
geöffnet, und der Schalter 264 geschlossen, wodurch die Ausgangsspannung
des Integrators 259, 260 wieder abfällt, und die Logik 159 den Zustand
Leitung 280 aktiv verriegelt, um bei der Decodierlogik 204 anzuzeigen, daß
der Anstieg beendet ist. Der Mikrocomputer liest den Zustand der
Verriegelung, die die Leitung 280 steuert, und wenn die Leitung aktiv ist,
kann er die Eingangssignal-Auswahl ändern. Der Zähler 271 wird während der
Abfallphase des Zyklus durch Impulse auf der Leitung 229 getaktet, und
durch die Steuerlogik 159 angehalten, wenn die Spannung an dem Kondensator
260 unter die Schwelle Vcomp des Komparators 270 absinkt. Der Wert des
Zählers 271 wird nun in die Verriegelung 272 eingegeben, und die
Zustandsleitung 281 wird aktiv gemacht, wodurch der Mikrocomputer IC2
bestimmen kann, daß Daten gelesen werden können. Die Ausgangsspannung, die
von dem Integrator 259, 260 während der Anstiegsphase des Zyklus erreicht
wird, hängt von dem Wert der Spannung auf der Eingangsleitung 248 ab. Die
Zeit, die die Spannung an dem Kondensator 260 benötigt, um bei der
gesteuerten Entladegeschwindigkeit der Abfallphase des Zyklus bis auf den
Schwellenwert Vcomp des Komparators 270 abzufallen, hängt daher von der
Spannung auf der Leitung 248 ab. Der digitale Wert, der in die Verriegelung
272 eingegeben wird, ist ein Maß dieser Spannung. Die Funktionsweise bei
den Eingangsleitungen 244, 250 über die Schalter 253, 251 ist ähnlich.
Demgemäß kann der Wert in der Verriegelung 272 ein Maß sein für die
Batteriespannung, den 50 kHz-Strom zwischen der Senderspule 130 und der
Empfängerspule 131 des Metalldetektors, den 50 kHz-Strom zwischen der
Senderplatte 115 und den Empfängerplatten 116a-116i des kapazitiven
Sensors, oder den 50/60 Hz-Strom, der in den Platten 116d-116f durch die
Netzspannung bei angrenzenden elektrischen Leitungen induziert wird. Die
Steuerlogik 159 legt eine Bereichsüberschreitungs-Verriegelung fest, und
macht die Leitung 282 am Ende des Umwandlungszyklus aktiv, wenn das
Eingangssignal auf der Leitung 244, 248 oder 250 ein maximales
Eingangssignal für eine volle Skala übersteigt. Die
Bereichsunterschreitungs-Verriegelung steuert den Zustand der Leitung 276, die
aktiv ist, wenn auf der Leitung 248 eine ungenügende Eingangsspannung
erhalten wird, um die Spannung des Integrators 259, 260 bis zum Ende der
Anstiegsphase des Zyklus bis auf den Schwellenwert des Komparators 270 zu
erhöhen, was bedeutet, daß das Eingangssignal auf der Leitung 248, und das
Bezugssignal auf der Leitung 210 phasenverschoben sind, und der Zyklus
abgebrochen wird. Der Mikrocomputer IC2 reagiert auf einen aktiven Zustand
der Leitung 276 durch Zurückstellen der Phase des Bezugssignals von dem
Wähler 215 über die Leitungen PHSEL 0-2, um das Eingangssignal auf der
Leitung 248 und das Bezugssignal auf der Leitung 210 in die richtige Phase
zu bringen, so daß der PD-Schalter 157 zeitlich richtig gesteuert wird, um
ein Eingangssignal auf der Leitung 248 zu vergleichen. Beim Einschalten
testet die Firmware in dem Mikrocomputer IC2 jede der Phasen, die über die
Ausgangssignale PHSEL 0 - PHSEL 2 festgelegt werden können, wobei die Phase
ausgewählt wird, die das stärkste Signal ergibt. Der phasenempfindliche
Detektor und der Dual-slope-A/D-Umsetzer bilden ein abgestimmtes Filter.
Die maximale Anstiegszeit und die Abfallzeit betragen beide ungefähr 2,5
Millisekunden, und die maximale Zeit zwischen aufeinanderfolgenden
Umsetzungs-Startsignalen beträgt ungefähr 5 Millisekunden,so daß alle 9
Platten 116a-116i innerhalb einer Zykluszeit von 100 Millisekunden
abgetastet werden können, einschließlich eines 50-60
Hz-Eingangssignalzustands über die Platten 116d-116f, eines Metalldetektorzustands,
und eines Batteriezustands.
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Die Decodierlogik 204 bietet eine serielle
Datenübertragungsverbindung zwischen dem Mikrocomputer IC2 und dem anwendungsspezifischen
Chip IC1, wobei über die DATEN-Leitung Adressen und bidirektionale Daten
übertragen werden, und über die DCLK-Leitung Taktgebersignale übertragen
werden, um die Datenübertragungen zu synchronisieren, und die LESE-Leitung
für die Steuerung der Datenübertragungsrichtung sorgt.
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Wie ersichtlich ist, erfüllt die oben beschriebene Vorrichtung drei
hauptsächliche Funktionen:
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(i) Universaldetektor zum Lokalisieren von Inhomogenitäten (wie zum
Beispiel Pfosten, Balken, Rohre) hinter Gipsplatten, Spanplatten,
Holzplatten und Wänden und Trennwänden in Gebäuden;
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(ii) Metalldetektor zum Lokalisieren von Metallgegenständen hinter
nicht-metallischen Oberflächen;
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(iii) Verfolgung von spannungführenden Kabeln.
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Diese Funktionen können bei zwei Betriebsarten verwirklicht werden.
Die Grundeinstellung (bei eingeschaltetem Schalter) kann einem
Universalsucher entsprechen, bei dem das Ausgangssignal kontinuierlich angezeigt
wird. Diese Funktion wird in der Anzeigezone 306 der Anzeige 109 (Fig. 2)
angezeigt. Wenn die Batteriespannung auf der Leitung 250 niedriger als ein
Schwellenwert ist, wird ein Batterie-Warnindikator 305 aktiviert. Wenn bei
dieser Betriebsart Metall festgestellt wird, gibt der Mikroprozessor IC2
dem Benutzer einen Hinweis auf der Anzeige in Form eines blinkenden
Segments 300. Der Benutzer kann dann, wenn er möchte, durch Drücken des
Schalters 301 (dessen Funktion durch den Indikator 307 der Anzeige 109
angezeigt wird), auf die zweite Betriebsart umschalten, die für die Suche
von Metall und die Verfolgung von Netzleitungen bestimmt ist, und bei der
das Ausgangssignal des Metalldetektors auf der Anzeige 109 als
Balkendiagramm wiedergegeben wird, das proportional zu der Empfangssignal-
Intensität ist. Wenn auf diese zweite Betriebsart umgeschaltet wird, wird
eine Filterfunktion wirksam, wodurch nicht-metallische Gegenstände die
Anzeige 109 nicht beeinflussen.
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Bei der zweiten Betriebsart ist der Metalldetektor 130, 131 wirksam,
und außerdem wird über den Multiplexer 233 die Netzleitungsverfolgungs-
Funktion der Elektroden 116d-116f aktiviert. Eine Netzleitung wird nur
angezeigt, wenn auch Metall festgestellt wird. Mit dem Gerät ist es
möglich, spannungführende Kabel nachzuweisen, die an ein Wechselstromnetz
mit einer Spannung über 110 V eff. und einer Frequenz im Bereich von 40 bis
100 Hz angeschlossen sind. Spannungführende Kabel in metallischen
Schutzrohren oder einer anderen elektrischen Abschirmung können nicht
nachgewiesen werden. Das Kabel muß bei der Verwendung des Gerätes
spannungführend sein, wenn auch kein Strom in dem Kabel fließen muß. Die
Netzspannung wird durch ein blinkendes Segment 302 auf der Anzeige
angezeigt, und außerdem ertönt ein von dem Treiber 206 gesteuerter Summer
132.
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Ein typischer Detektor, der so gebaut ist, wie dies oben beschrieben
wurde, kann Holzlatten hinter 20 mm Gipsplatte, 10 mm Gipsplatte plus 5 mm
Gips, oder 20 mm Spanplatte lokalisieren, und ein Kupferrohr von 14 mm
Durchmesser hinter 10 mm Gipsplatte plus 10 mm Luftspalt, 10 mm Gipsplatte
plus 5 mm Gips + 5 mm Luftspalt, oder 20 mm Spanplatte finden. Der
Metalldetektor kann ein Netzkabel von 2,5 mm² in 0-50 mm Abstand, und ein
Kupferrohr von 14 mm Durchmesser in 0-120 mm Abstand finden, wobei die Lage des
Zentrums eines Gegenstands bei maximaler Tiefe mit einer Genauigkeit von
plus oder minus 10 mm angezeigt wird. Die Netzspannung kann bei einem Kabel
von 2,5 mm² oder 1 mm², das an eine Spannung von 240 V eff. angeschlossen
ist, hinter 10 mm Gipsplatte plus 5 mm Gips, oder 5 mm Gips plus 10 mm
Mörtel plus einem Kunststoff-Schutzrohr festgestellt werden.
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Es ist offensichtlich, daß die drei Sensorgruppen unabhängig
voneinander und ohne Wechselwirkung mit dem Benutzer funktionieren.
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Weiterhin ist offensichtlich, daß Änderungen bei der oben
beschriebenen Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der
Erfindung zu überschreiten, deren Schutzumfang in den Patentansprüchen
festgelegt ist.